燃燒火焰

激烈進(jìn)行發(fā)光、放熱反應(yīng)的界面或空間稱(chēng)為火焰，其亮度取決于可燃物的性質(zhì)。熾熱的煙氣發(fā)光較弱，形成白色火焰。如果燃燒區(qū)內(nèi)有固體微粒(如碳黑)，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)烈的火焰。

火焰鋒面在可燃混合物中的傳播形成燃燒波。燃燒 波的傳播有兩種方式:一種為正常燃燒，是通過(guò)熱量傳遞使未燃?xì)怏w溫度升高而引起燃燒，或由于活性中間物質(zhì)擴(kuò)散到未燃?xì)怏w中引起反應(yīng)而燃燒。正常燃燒典型的火 焰速度約50厘米/秒，常壓下火焰厚度為數(shù)毫米，燃燒在燃燒波內(nèi)完成。通常的燃燒設(shè)備和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒即屬此類(lèi)。另一類(lèi)為爆震(又稱(chēng)爆轟),是靠極薄的激波 傳播的，波面兩側(cè)壓力和溫度可相差十倍，甚至更多，使可燃物在激波后的燃燒區(qū)迅速完成反應(yīng)。爆震的傳播速 度可達(dá)每秒2?5千米（氣體爆炸物）或8?9千米(固體和液體爆炸物），因而具有很強(qiáng)的破壞力。在正常燃燒中通常遇到的火焰有：

預(yù)混火焰 可燃?xì)怏w和空氣或氧氣按化學(xué)當(dāng)量比預(yù)先混合后燃燒時(shí)所形成的火焰，又稱(chēng)動(dòng)力燃燒火焰。化學(xué)反應(yīng)局限在很窄的火焰鋒面內(nèi)，以一定的速度向可燃?xì)怏w傳播。火焰鋒面位移的法向速度稱(chēng)為正?；鹧?zhèn)鞑ニ?度υ_n(厘米/秒），可表示為：

式中

層流火焰 靜止或處于層流運(yùn)動(dòng)的可燃混合物燃燒 時(shí)形成的火焰。它以正常速度擴(kuò)展，火焰鋒面光滑而明顯，可燃?xì)怏w在鋒面各點(diǎn)的法向分速均等于正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣龋ㄒ?jiàn)圖)。

層流火焰和湍流火焰 左邊為長(zhǎng)時(shí)間曝光照片 右邊為紋影照片 上部為層流火焰 下部為湍流火焰

湍流火焰 可燃混合物達(dá)到湍流工況后燃燒時(shí)所形成的火焰。工業(yè)上應(yīng)用的大都是使可燃混合物從噴嘴流出的速度達(dá)到湍流工況后燃燒所形成的火焰。由于氣流的脈動(dòng)，湍流火焰鋒面厚度比層流火焰大得多(見(jiàn)圖，下 左為長(zhǎng)時(shí)間曝光照片)。當(dāng)氣流脈動(dòng)速度不大且脈動(dòng)微團(tuán)的平均尺寸小于層流火焰鋒面厚度(通常為0.01 ?1.0毫米）時(shí)，稱(chēng)為小尺度湍流火焰(雷諾數(shù)為2300～6 000) ；這時(shí)火焰鋒面呈波紋狀（見(jiàn)圖，下右紋影照片），用湍流的物性參量代人層流火焰擴(kuò)展的理論公式即可求解。當(dāng)氣流脈動(dòng)速度不太大，但脈動(dòng)微團(tuán)的平均尺寸大于層流火焰鋒面厚度時(shí)，稱(chēng)為大尺度端流火焰(雷諾數(shù)≥6000)；此時(shí)火墻鋒面彎曲得很利害，使反應(yīng)表面積大增。根據(jù)湍流火焰?zhèn)鞑サ睦碚?，燃燒速度和火焰的鋒面面積成比例，故湍流燃燒速度比層流燃燒速度大得多。如果雷諾數(shù)更高，氣流脈動(dòng)和湍流微團(tuán)尺寸都很大，火焰鋒面就被撕得四分五裂，不再以連續(xù)面出現(xiàn)。部分被撕裂的可燃物火焰鋒面和高溫?zé)煔夂喜⒌叫滦纬傻奈F(tuán)內(nèi)，使微團(tuán)內(nèi)也出現(xiàn)燃燒，這是湍流容積燃燒理論的設(shè)想。此時(shí)燃燒速度和氣流脈動(dòng)速度成比例。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)湍流燃燒速度往往要比氣流脈動(dòng)速度大好幾倍，這是因?yàn)樵诨鹧驿h面中溫度劇增，氣流膨脹和可燃物濃度降低導(dǎo)致火焰鋒面內(nèi)產(chǎn)生很大的速度、溫度和濃度梯度，從而使脈動(dòng)速度顯著增加，使燃燒速度也相應(yīng)增加。不過(guò)總的說(shuō)來(lái)，湍流燃燒理論還不夠成熟。湍流燃燒速度ut (米/秒)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，通?？杀頌椋?

式中為氣流脈動(dòng)速度；A、B、m、n為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)常見(jiàn)的可燃?xì)怏w，A→0，B=2.5～5. 3，m=1. 0～0. 8，n=0～0.2。

擴(kuò)散火餡 未經(jīng)預(yù)先混合的可燃物和氧氣（或空氣）燃燒時(shí)形成的火焰。這種火焰鋒面把可燃物和氧氣分隔開(kāi)，兩者均需依靠濃度梯度向火焰鋒面進(jìn)行分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散（見(jiàn)擴(kuò)散），因此火焰的形狀和燃燒的速度主要取決于可燃物和氧的熱量、質(zhì)量交換和混合的速度，而不是化學(xué)反應(yīng)速度。擴(kuò)散火焰可分為均相和非均相兩類(lèi)；前者如氣體燃料的擴(kuò)散燃燒形成的火焰，后者如固體或液體燃料的燃燒形成的火焰。固體燃料燃燒時(shí)，往往要經(jīng)歷預(yù)熱、干燥、揮發(fā)成分的析出和著火、焦炭的著火和燃燒等階段。這些階段互有重疊，其中以焦炭燃燒所需時(shí)間為最長(zhǎng)。溫度較低時(shí)，對(duì)燃燒速度起決定作用的是化學(xué)反應(yīng)速度；當(dāng)溫度足夠高、化學(xué)反應(yīng)速度已很快時(shí)，燃燒速度便取決于氧向固體燃料表面的擴(kuò)散速度和燃燒產(chǎn)物的離去速度。焦炭燃燒時(shí)的生成物CO和CO₂在擴(kuò)散離去時(shí)還可能產(chǎn)生二次反應(yīng)。

故只有溫度較低時(shí)，氧才有可能擴(kuò)散到焦炭表而，而在溫度較高時(shí)，氧在擴(kuò)散途中就與CO反應(yīng)而被消耗殆盡。同時(shí)高濃度的CO₂反而向焦炭表面擴(kuò)散，進(jìn)行二次反應(yīng)。液體燃料的燃燒也靠擴(kuò)散，但對(duì)于輕質(zhì)燃料，液滴表面只有蒸發(fā)而無(wú)反應(yīng)，因?yàn)樗姆序v溫度低于著火溫度。對(duì)于重質(zhì)燃料，沸程寬，在液滴內(nèi)便進(jìn)行裂解，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在向外擴(kuò)散過(guò)程中進(jìn)行燃燒。直徑為如d0（厘米）的煤粒或油滴燃燒所需時(shí)間t₀（秒）可用下述經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)：

式中K為由燃料特性、流動(dòng)工況、爐溫所決定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（秒/厘米）；n為常數(shù)。理論值n=2；實(shí)驗(yàn)值n=1.5～2.0。

火焰的穩(wěn)定 為使燃燒持續(xù)，火焰鋒面需穩(wěn)定在某一位置上，其必要條件是可燃物向鋒面流動(dòng)的速度等于火焰鋒面向可燃物擴(kuò)展的速度?？扇嘉锪魉偃绻哂诤笳?，火焰即被吹脫，此時(shí)的速度稱(chēng)為吹脫速度。由于工業(yè)燃燒裝置中可燃物的流速大大高于火焰擴(kuò)展速度，因此大多采用一些流體力學(xué)的手段來(lái)穩(wěn)定火焰。常用的方法有：使用引燃火炬，不斷對(duì)高速可燃?xì)饬鬟M(jìn)行點(diǎn)燃；設(shè)計(jì)非流線型物體作為穩(wěn)燃器或使用產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)射流的燃燒器，使其后部出現(xiàn)低速的回流區(qū)并吸引高溫燃燒產(chǎn)物回流以穩(wěn)定火焰。

即可燃物開(kāi)始燃燒?？扇嘉锉仨氂幸欢ǖ钠鹗寄芰?，達(dá)到一定的溫度和濃度，才能產(chǎn)生足夠快的反應(yīng)速度而著火。大多數(shù)均相可燃?xì)怏w的燃燒是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，活性屮間物的濃度 在其中起主要作用。如果鏈產(chǎn)生速度超過(guò)鏈中止速度，則活性中間物濃度將不斷增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累(誘導(dǎo)期)就自動(dòng)著火或爆炸。著火溫度除與可燃混合物的特性有關(guān)外，還與周?chē)h(huán)境的溫度、壓力，反應(yīng)容器的形狀、尺寸等向外散熱的條件有關(guān)。當(dāng)氧化釋放的熱量超過(guò)系統(tǒng)散失的熱量時(shí)，燃料就會(huì)快速升溫而著火。這種同流動(dòng)和傳熱有密切聯(lián)系的著火稱(chēng)為熱力著火，它是多數(shù)燃料在燃燒設(shè)備內(nèi)所經(jīng)歷的著火過(guò)程。在燃料的活性較強(qiáng)、燃燒系統(tǒng)內(nèi)壓力較高和散熱較少的情況下，燃料的熱力著火溫度會(huì)變得低一些。在一定壓力下，可燃物有著火濃度的低限和高限，在這個(gè)范圍以外，不管溫度多高都不能著火。在大氣壓力下,某些可燃?xì)怏w在空氣中的著火性質(zhì)如附表所示。

工程中使用得較為普遍的著火方法是強(qiáng)迫著火，它是用外部能源或熾熱物體如電火花、引燃火炬、高溫?zé)煔饣亓鞯赛c(diǎn)燃冷的可燃物。在點(diǎn)燃部位首先出現(xiàn)火焰，然后通過(guò)湍流混合和傳熱,火焰鋒面逐漸擴(kuò)展到整個(gè)可燃物。 強(qiáng)迫著火是由點(diǎn)火源向周?chē)扇細(xì)怏w加熱，因此點(diǎn)燃溫度要高于可燃物的自燃溫度。

可燃物與氧氣或空氣進(jìn)行的快速放熱和發(fā)光的氧化反應(yīng)，并以火焰的形式出現(xiàn)。 煤、石油、天然氣的燃燒是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)的主要熱能 動(dòng)力的來(lái)源。近世對(duì)能源需求的激增和航天技術(shù)的迅速 發(fā)展，促進(jìn)了流體力學(xué)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)的 結(jié)合，使燃燒學(xué)科有了飛躍的發(fā)展;另一方面以消滅燃燒 為目的的防火技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了燃燒理論的研究。

在燃燒過(guò)程中，燃料、氧氣和燃燒產(chǎn)物三者之間進(jìn)行 著動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞，形成火焰這種有多組分濃度梯 度和不等溫兩相流動(dòng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)?；鹧鎯?nèi)部的這些傳遞 借層流分子轉(zhuǎn)移或湍流微團(tuán)轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)，工業(yè)燃燒裝置 屮則以湍流微團(tuán)轉(zhuǎn)移為主。探索燃燒室內(nèi)的速度、濃度、 溫度分布的規(guī)律以及它們之間的相互影響是從流體力學(xué) 角度研究燃燒過(guò)程的重要內(nèi)容。由于燃燒過(guò)程的復(fù)雜性， 實(shí)驗(yàn)技術(shù)是探討燃燒工程的主要手段。近年來(lái)發(fā)展起來(lái) 的計(jì)算燃燒學(xué)，通過(guò)建立燃燒過(guò)程的物理模型對(duì)動(dòng)量、能 量、化學(xué)反應(yīng)等微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解，從而使對(duì)燃燒設(shè)備內(nèi)的流場(chǎng)、燃料的著火和燃燒傳熱過(guò)程、火焰的穩(wěn)定 等工程問(wèn)題的研充取得明顯的進(jìn)展。

火床爐最主要的特點(diǎn)就是有爐排，將燃料置于爐排上，保持燃料的均勻、并有一定的厚度層，進(jìn)行燃燒。火床燃燒也叫層燃。

固體燃料最簡(jiǎn)便的燃燒方式是火床燃燒。其中以固定床的火床燃燒最為簡(jiǎn)易和廣泛。小型的手燒爐就是典型的固定床火床燃燒方式。

在火床燃燒中，絕大部分燃料是在火床上燃燒，只有一小部分細(xì)粒燃料被吹到爐膛空間，形成懸浮燃燒。

固定火床的燃燒過(guò)程是沿著燃料層高度進(jìn)行，上面是剛投入的新燃料，其下為灼熱燃燒的焦炭層，而靠近爐排處則為灰渣層。新燃料（煤）被加入爐內(nèi)后，自上面下依次經(jīng)歷著預(yù)熱、干餾、還原、氧化和成渣等階段，完成整個(gè)燃燒過(guò)程。的電極（一般放在管線末端）。該系統(tǒng)一般一次投資較小，但需電力費(fèi)用和要求較多的監(jiān)視、維護(hù)。

工業(yè)燃燒器俗稱(chēng)燒嘴，種類(lèi)規(guī)格型式很多，有燃油、燃?xì)猓簹猓⑷济海悍?水煤漿）幾大類(lèi)別。應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在需要使燃料燃燒以加熱物料或反應(yīng)的工業(yè)場(chǎng)合都需要用燃燒器。

燃燒機(jī)又稱(chēng)一體化燃燒器，以燃油和燃?xì)鉃橹?。一般?yīng)用在中小型燃料鍋爐、燃料熱風(fēng)機(jī)、烘（烤）箱和小型燃料加熱爐上。

工業(yè)燃燒器（燒嘴）增加配置后可實(shí)現(xiàn)燃燒機(jī)的功能，但燃燒機(jī)在很多工業(yè)場(chǎng)合不能滿足燃料燃燒加熱或反應(yīng)的要求。二者的區(qū)別見(jiàn)詞條“燒嘴”。

廣義上來(lái)說(shuō)，民用灶具、打火機(jī)、噴燈、發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴燃裝置等都屬于民用燃燒器和特種燃燒器的范疇。

burner ：火焰原子化器預(yù)混合型構(gòu)造中的一個(gè)部件，又稱(chēng)燃燒頭。它是火焰燃燒時(shí)混合氣體和運(yùn)輸船狀試樣的噴口，多為單狹縫型，前者用于一氧化二氮-乙炔火焰，后者用于空氣-乙炔火焰。一般采用不銹鋼制作，也有用鋁或黃銅制作的。有單縫（single-slot）與三縫（three-slot）型兩種。原子熒光法采用麥克燃燒器（Meker burner），它是火炬形火焰。分水冷和氣冷兩種。使用后需經(jīng)常以蒸餾水清洗，防止銹蝕和縫隙堵塞。

氧氣助燃燃燒器

國(guó)際上先進(jìn)的燃燒器生產(chǎn)廠商，紛紛開(kāi)始研發(fā)并大規(guī)模推廣富氧、全氧助燃的燃燒器。

傳統(tǒng)燃燒器都是以空氣作為助燃?xì)怏w，但空氣中氧氣含量很低，只有21%，剩余的部分都是氮?dú)?、二氧化碳等不可燃?xì)怏w，這些氣體在燃燒過(guò)程中，不僅不會(huì)有助于發(fā)熱，反而會(huì)大量的吸熱，并把這些熱量以煙氣的方式帶走，大大影響了燃燒發(fā)熱效率。

而富氧和全氧燃燒器，可以使燃料得到充分的利用，排煙溫度降低，大幅度提高燃燒效率。氧氣助燃燃燒的火焰溫度要比空氣燃燒時(shí)高出很多，所以在爐體耐材的選擇上，也同樣有更高的要求。

工業(yè)燃燒器與鍋爐燃燒器的區(qū)分

在美國(guó)，工業(yè)燃燒器和鍋爐燃燒器是嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)的。兩者絕對(duì)不能互換使用。但是在國(guó)內(nèi)，很可惜，由于鍋爐燃燒器價(jià)格低廉，工業(yè)燃燒系統(tǒng)價(jià)格高，導(dǎo)致經(jīng)常有很多小廠商用鍋爐燃燒器替代工業(yè)燃燒系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)燃燒器行業(yè)缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。